(57)【要約】【課題】  発生場所を異にする第１の高温ガス１と第２の高温ガス２と高温液体３とを、共通の冷却水４によりそれぞれ冷却して、冷却水４を温水に変える多流体熱交換器において、コンパクトで熱交換性能の良いものの提供。【解決手段】  第１の高温ガス１と冷却水４、第２の高温ガス２と冷却水４とがそれぞれ並列的熱交換される第１熱交換部８と、その第１熱交換部８に直列に接続されて高温液体３と冷却水４とが熱交換される第２熱交換部11とを具備する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発生場所を異にする第１の高温ガス(1) と第２の高温ガス(2) と高温液体(3) とを、冷却水(4) により夫々冷却して、その冷却水(4) を温水に変える多流体熱交換器において、  第１の高温ガス(1) と冷却水(4) 、第２の高温ガス(2) と冷却水(4) とが夫々並列的に熱交換される第１熱交換部(8) と、その第１熱交換部(8) に直列に接続されて高温液体(3) と冷却水(4) とが熱交換される第２熱交換部(11)とを具備し、
第１熱交換部(8) は、間隔をあけて並列されて、冷却水(4) が夫々並列的に流通する多数の第１の冷却水路(5) と、各第１の冷却水路(5) 間に夫々存在し、第１の高温ガス(1) が並列的に流通する多数の第１の高温ガス流路(6) と、第２の高温ガス(2) が並列的に流通する多数の第２の高温ガス流路(7) と、が並列され、
第２熱交換部(11)は、第１の冷却水路(5) に直列に配置されて、冷却水(4) を並列的に流通させる第２の冷却水路(9) が互いに間隔をあけて多数並列し、その第２の冷却水路(9) 間に高温液体(3) を並列的に流通させる高温液体流路(10)が並列して設けられ、
前記冷却水(4) が各第１の冷却水路(5) と各第２の冷却水路(9) とを直列に流通し、前記第１の高温ガス(1) が前記各第１の高温ガス流路(6) を流通し、前記第２の高温ガス(2) が前記各第２の高温ガス流路(7) を流通し、前記高温液体(3) が前記各高温液体流路(10)を流通することを特徴とする多流体熱交換器。
【請求項２】
請求項１において、
第１熱交換部(8) と第２熱交換部(11)とが一体的に接続された多流体熱交換器。
【請求項３】
請求項２において、
第１熱交換部(8) は、多数の冷却水流通用の第１チューブ(12)が並列され、夫々の第１チューブ(12)の両端が互いに離間した第１タンク(13)と第２タンク(14)間に連通されて第１コア(15)を形成し、その第１コア(15)の外周にケーシングが被嵌されると共に、ケーシングが第１チューブ(12)の並列方向の中間で仕切られて第１ケーシング部(16)と第２ケーシング部(17)とに分離され、第１ケーシング部(16)の外面に互いに離間して一対の第１の高温ガス(1) の出入口(18)が設けられ、第２ケーシング部(17)の外面に互いに離間して一対の第２の高温ガス(2) の出入口(19)が設けられ、
第２熱交換部(11)は、多数の冷却水流通用の第２チューブ(20)が並列され、夫々の第２チューブ(20)の両端が互いに離間した第２タンク(14)と第３タンク(21)間に連通されて第２コア(22)を形成し、その第２コア(22)の外周に第３ケーシング部(23)が被嵌され、その第３ケーシング部(23)の外面に互いに離間して一対の高温液体(3) の出入口(24)が設けられた多流体熱交換器。
【請求項４】
請求項３において、
第１熱交換部(8) に並列して第２熱交換部(11)が配置された多流体熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池におけるコジェネレーションシステムの如く、燃料電池システムの各所で別々に発生する複数の高温ガス及び高温液体と冷却水とを熱交換し、排熱を回収して給湯に役立てるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のコジェネレーションシステムは、一例として下記特許文献に記載されている。その特許文献に記載されている燃料電池のコジェネレーションシステムは、図４の如く構成されている。この燃料電池システムは水循環路26を有し、その水循環路26には第１熱交換器27と第２熱交換器28と第３熱交換器29とが直列的に連結されている。そして、貯湯タンクから流出する冷却水が第１熱交換器27と第２熱交換器28と第３熱交換器29の各冷却水路を流通する。その第１熱交換器27では、燃料電池25の冷却回路を流通する熱媒水30と熱交換し、燃料電池25の排熱を吸熱する。
【０００３】
次いで、冷却水は第２熱交換器28へ導かれ、この第２熱交換器28内を流れる間に、ＣＯ除去器、変成器、改質器からの排熱を順に吸収する。次いで、その冷却水は第３熱交換器29へ導かれて燃焼排ガスから排熱を吸熱する。このようにして、第１熱交換器27と第２熱交換器28と第３熱交換器29とで加熱された冷却水は、貯湯タンクに温水として蓄えられる。なお、この燃料電池システムは、原料ガスが脱硫器を介し、改質器、変成器、ＣＯ除去器を通過して、燃料電池25の水素側ガス通路34に導かれる。また、空気がブロアー及びガス加温器32を介して、燃料電池25の酸素側ガス通路33に供給される。燃料電池25の水素側ガス通路34から流出する水素極排ガスは、燃焼器で燃焼され、それが第３熱交換器29に導かれる。従って、第３熱交換器29は高温の排ガスと冷却水との熱交換である。
【０００４】
また、第２熱交換器28では高温の改質ガスと冷却水との熱交換である。更に、第１熱交換器27では冷却水と高温の液体とが熱交換される。これを簡略して図示すれば図７の如くなる。
即ち、最上流側から順に第１熱交換器27と第２熱交換器28と第３熱交換器29とが直列に接続され、それら内部の各冷却水路を冷却水４が順次流通する。そして第１熱交換器27には高温液体３が、第２熱交換器28には第１の高温ガス１が、第３熱交換器29には第２の高温ガス２が流通するものである。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１７０９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
共通の冷却水を、第１熱交換器27と、第２熱交換器28と、第３熱交換器29とにそれぞれ順次直列に流通させ、それと高温液体３、第１の高温ガス１、第２の高温ガス２とを熱交換すると、冷却水４は上流側の第１熱交換器27で水温が上昇し、下流側の第２熱交換器28、または第３熱交換器29では冷却水４と第２の高温ガス２等との温度差が縮小し、熱交換性能が低下する。その場合、第２熱交換器28、第３熱交換器29の伝熱面積を大きくせざるを得ず、全体としてシステムが大型化する欠点がある。また、３つの熱交換器をそれぞれ必要とし、配管が複雑となり、全体としてシステムの製造コストが高くなる。
そこで本発明はコンパクトで、なお且つ配管を単純化し、量産性を有する製造コストの安い一体型熱交換器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の本発明は、発生場所を異にする第１の高温ガス(1) と第２の高温ガス(2) と高温液体(3) とを、冷却水(4) により夫々冷却して、その冷却水(4) を温水に変える多流体熱交換器において、
第１の高温ガス(1) と冷却水(4) 、第２の高温ガス(2) と冷却水(4) とが夫々並列的に熱交換される第１熱交換部(8) と、その第１熱交換部(8) に直列に接続されて高温液体(3) と冷却水(4) とが熱交換される第２熱交換部(11)とを具備し、
第１熱交換部(8) は、間隔をあけて並列され、冷却水(4) が夫々並列的に流通する多数の第１の冷却水路(5) と、各第１の冷却水路(5) 間に夫々存在し、第１の高温ガス(1) が並列的に流通する多数の第１の高温ガス流路(6) と、第２の高温ガス(2) が並列的に流通する多数の第２の高温ガス流路(7) と、が並列され、
第２熱交換部(11)は、第１の冷却水路(5) に直列に配置されて、冷却水(4) を並列的に流通させる第２の冷却水路(9) が互いに間隔をあけて多数並列し、その第２の冷却水路(9) 間に高温液体(3) を並列的に流通させる高温液体流路(10)が並列して設けられ、
前記冷却水(4) が各第１の冷却水路(5) と各第２の冷却水路(9) とを直列に流通し、前記第１の高温ガス(1) が前記各第１の高温ガス流路(6) を流通し、前記第２の高温ガス(2) が前記各第２の高温ガス流路(7) を流通し、前記高温液体(3) が前記各高温液体流路(10)を流通することを特徴とする多流体熱交換器である。
【０００８】
請求項２に記載の本発明は、請求項１において、
第１熱交換部(8) と第２熱交換部(11)とが一体的に接続された多流体熱交換器である。
【０００９】
請求項３に記載の本発明は、請求項２において、
第１熱交換部(8) は、多数の冷却水流通用の第１チューブ(12)が並列され、夫々の第１チューブ(12)の両端が互いに離間した第１タンク(13)と第２タンク(14)間に連通されて第１コア(15)を形成し、その第１コア(15)の外周にケーシングが被嵌されると共に、ケーシングが第１チューブ(12)の並列方向の中間で仕切られて第１ケーシング部(16)と第２ケーシング部(17)とに分離され、第１ケーシング部(16)の外面に互いに離間して一対の第１の高温ガス(1) の出入口(18)が設けられ、第２ケーシング部(17)の外面に互いに離間して一対の第２の高温ガス(2) の出入口(19)が設けられ、
第２熱交換部(11)は、多数の冷却水流通用の第２チューブ(20)が並列され、夫々の第２チューブ(20)の両端が互いに離間した第２タンク(14)と第３タンク(21)間に連通されて第２コア(22)を形成し、その第２コア(22)の外周に第３ケーシング部(23)が被嵌され、その第３ケーシング部(23)の外面に互いに離間して一対の高温液体(3) の出入口(24)が設けられた多流体熱交換器である。
【００１０】
請求項４に記載の本発明は、請求項３において、
第１熱交換部(8) に並列して第２熱交換部(11)が配置された多流体熱交換器である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の多流体熱交換器は、複数の熱交換器を共通の冷却水で冷却する場合において、その冷却水４と第１の高温ガス１及び第２の高温ガス２とが、互いに並列的に流通して熱交換されるから、第１の高温ガス１と第２の高温ガス２とをそれぞれ冷却水４によって最も効率よく熱交換することが出来る。逆に言えば、従来の如く、第１の高温ガス１と冷却水４を第１の熱交換部によって熱交換した後に、その冷却水４を第２の熱交換部に導いて第２の高温ガス２と熱交換する場合、第２の高温ガス２と冷却水４との温度差が小さくなり、第２の高温ガス２の熱交換性能が低下する。そのため、所定の熱交換量を得るためには第２の熱交換部の放熱面積を大きくし、大型化する必要がありコンパクト性に欠ける欠点がある。しかし、本発明ではそれを避け、効率の良い熱交換器を提供することが出来る。
【００１２】
なお、金属壁面を介した高温ガスと冷却水との熱交換による放熱量は、高温ガス流路側の熱交換率と両者の温度差で大きく決定される。逆に言えば、冷却水路側の熱交換率は放熱量に大きな影響を与えない。本発明では、この原理を用い、冷却水を第１の高温ガス１と第２の高温ガス２との各冷却水路に分配して熱交換を並列的に行うため、各冷却水路の流速が低下するが、その流速低下による熱交換量への影響は小さい。また、各冷却水と二つの高温ガスとの温度差は大きく、それに基づく熱交換量の影響は大きい。そのため全体として第１熱交換部８における熱交換量は増大する。
【００１３】
次に、第１熱交換部８を通過した、あるいは通過前の全ての冷却水は第２熱交換部11に導かれ、その第２熱交換部11では冷却水４と高温液体３とのみが熱交換される。そこでは、各第２の冷却水路９の流量及び流速を大きくして、冷却水路側の熱効率を高くし、第２熱交換部11における熱交換総量を増大させる。即ち、高温液体３と冷却水４との熱交換では、冷却水路側の熱効率が全熱効率に大きく影響するが、本発明では第２熱交換部11は高温液体３と冷却水４のみの熱交換を行うことにより、システム全体としての放熱量を高めることが出来る。
【００１４】
上記構成において、第１熱交換部８と第２熱交換部11とを一体的に接続することが出来る。この場合には、システムの小型化、配管の単純化、熱交換器製造コストの低減を図ることが出来る。
【００１５】
上記構成において、一対の第１タンク13と第２タンク14との間に、並列された多数の第１チューブ12を配置して第１コア15を構成し、その外周をケーシングで被嵌すると共に、そのケーシングを仕切りにより第１ケーシング部16と第２ケーシング部17とに分離し、第１ケーシング部16の外面に第１の高温ガス１の出入口18を設け、第２ケーシング部17の外面に第２の高温ガス２の出入口19を設けることが出来る。このようにすることにより、第１の高温ガス１と冷却水４との熱交換と、第２の高温ガス２と冷却水４との熱交換を並列的に一体化した第１熱交換部８で行うことができると共に、コンパクトな熱交換器を提供出来る。
【００１６】
更に、第２熱交換部11は多数の並列された第２チューブ20の両端が、第２タンク14と第３タンク21とに連通され、第２コア22を形成する。そして、第２コア22の外周に第３ケーシング部23を被嵌し、第３ケーシング部23の外面に互に離間して一対の高温液体３の出入口24を設けることが出来る。
このようにすることにより、それぞれ冷却水４と第１の高温ガス１、冷却水４と第２の高温ガス２、冷却水４と高温液体３との熱交換を一体型で、その構造の簡単な熱交換器により構成することができると共に、量産性が高く、製造コストの安い熱交換器を提供することが出来る。
【００１７】
また、上記構成において、第１熱交換部８に並列して第２熱交換部11を配置することができる。この場合には、熱交換器全体の高さを低くしてコンパクトなものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
図１は本発明の多流体熱交換器の分解斜視図であり、図２はその組立図、図３は各流体の流れを簡略化した説明図である。
この熱交換器は、燃料電池のコジェネレーションシステムの如く、発生場所を異にする第１の高温ガス１と、第２の高温ガス２と、高温液体３とを、それぞれ冷却水４により冷却して冷却水を温水に変えるものである。
【００１９】
この多流体熱交換器は、図１に示す如く、夫々矩形断面の筒型の第１ケーシング部16と第２ケーシング部17とが並列され、それらの内部に多数の第１チューブ12が並列されて、第１の冷却水路５を形成する。それぞれの第１ケーシング部16及び第２ケーシング部17の上下端には、ヘッダープレート13ａ，14ａ，13ｂ，14ｂが被嵌され、第１ケーシング部16の上下端部には一対のパイプからなる出入口18が連通し、第２ケーシング部17の上下端部には、一対のパイプからなる出入口19が連通されている。このようにして第１コア15が形成され、その第１コア15の下側のヘッダープレート13ａ，13ｂには、それら両者を被嵌する細長い共通の第１タンク13が嵌着し、同様にヘッダープレート14ａ，14ｂには細長い共通の第２タンク14が被嵌される。そして、それぞれの部品の接触部間が液密にろう付け又は溶接で固定されるものである。
【００２０】
次に、第２タンク14の上端縁には第３ケーシング部23が被嵌される。第３ケーシング部23内には、多数の第２の冷却水路９として第２チューブ20が並列されている。第２チューブ20の断面の長軸と、第１チューブ12の断面の長軸とは直交するように配置されている。第２チューブ20の上下両端は、ヘッダープレートを介して第２タンク14と第３タンク21に連通する。
第３ケーシング部23の外面の両側には上下に離間し、出入口24を形成するパイプの一端がそれぞれ連通している。そして、上側のヘッダープレート21ａに細長い箱状の第３タンク21が被嵌し、その嵌着部が互いに液密にろう付け又は溶接で固定されたものである。
また、第１タンク13には、入口パイプ31が取付けられ、第３タンク21には出口パイプ32ａが取付けられている。そして、第１タンク13の入口パイプ31から冷却水４が流入し、並列された多数の第１チューブ12に分岐して、そのチューブ12内を並列に上昇する。
【００２１】
各第１の冷却水路５を構成する第１チューブ12の間には、第１の高温ガス流路６と第２の高温ガス流路７が形成される。即ち、第１ケーシング部16内で、第１チューブ12の外面側に第１の高温ガス流路６が形成され、第２ケーシング部17内で、第１チューブ12の外面側に第２の高温ガス流路７が形成される。そして、第１ケーシング部16にはその上側の出入口18から、第１の高温ガス１が内部に流通し、それが下側の出入口18から流出し、冷却水４との間に熱交換が行われる。同様に第２ケーシング部17内においては、上側の出入口19から第２の高温ガス２が流入し、それがケーシング内を流通して下側の出入口19から流出する。そして、各第１チューブ12内を流通する冷却水４との間に熱交換が行われる。
【００２２】
第１の高温ガス１および第２の高温ガス２によって熱交換され、各第１チューブ12を上昇した冷却水４は第２タンク14内で合流し、第２の冷却水路９内を上昇する。第３ケーシング部23の一方の出入口24からは高温液体３が流入し、各第２チューブ20間を流通して他方の出入口24から、それが流出する。そして、冷却水４と高温液体３との間に熱交換が行われ、第３タンク21の出口パイプ32ａから温水となってそれが流出する。
なお、上下一対のヘッダープレートと、それを貫通する多数の第２チューブ20および第３ケーシング部23とにより第２コア22が形成され、第３タンク21をヘッダープレート21ａに嵌着固定すると共に、第２タンク14をヘッダープレート14ａ，14ｂに嵌着固定することにより第２熱交換部11が形成される。
【００２３】
図２は、その第１の高温ガス１と、第２の高温ガス２と、高温液体３と、冷却水４との流通状態を示す斜視図である。なおこの例では、第３ケーシング部23の上下両端部は外面側に膨出し、高温液体３の出入口のマニホールド部を形成している。
このようにしてなる一体型熱交換器は、図３の如くその機能を表現出来る。即ち、第１熱交換部８には、第１ケーシング部16と第２ケーシング部17とが並列され、それぞれに冷却水４が分流して流通し、第１ケーシング部16内には第１の高温ガス１が流通し、第２ケーシング部17内には第２の高温ガス２が流通する。冷却水４は、上下一対の第１タンク13、第２タンク14間で各チューブ内を流通し、第２タンク14から第３ケーシング部23内の各チューブを流通する。そして、第３ケーシング部23内の高温液体３と熱交換をし、第３タンク21から温水となって流出するものである。
【００２４】
なおこの例では、下流側に２つの第１ケーシング部16と第２ケーシング部17とを並列したが、それに代えて３以上のケーシングを並列させ、冷却水４をそれぞれに並列供給することが出来る。更にこの例では、高温液体３を第１熱交換部８の下流側で流通させたが、それに代えて第１熱交換部８の上流側に第２熱交換部11を配置して、そのケーシング内を高温液体が流通するようにしてもよい。
【００２５】
次に、図５は本発明の他の実施の形態を示す説明的斜視図であり、図６は同熱交換器の各流体の流れ状態を示す説明図である。
この実施の形態が、前記図１〜図３に示す熱交換器と異なる点は、第２熱交換部11を第１熱交換部８に並列させたものである。即ち、前記の例では第１熱交換部８の上端に第２熱交換部11を接続したが、それに代えて、両熱交換部８，11を並列させたものである。このようにすることにより、熱交換器全体の高さを低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の多流体熱交換器の分解斜視図。
【図２】同熱交換器の組立て状態を示す斜視図。
【図３】同熱交換器の各流体の流れ状態を示す説明図。
【図４】従来の燃料電池コジェネレーションシステムの説明図。
【００２７】
【図５】本発明の他の多流体熱交換器の斜視説明図。
【図６】同熱交換器の各流体の流れ状態を示す説明図。
【図７】従来の多流体熱交換器の各流体の流れ状態を示す説明図。
【符号の説明】
【００２８】
１  第１の高温ガス
２  第２の高温ガス
３  高温液体
４  冷却水
５  第１の冷却水路
６  第１の高温ガス流路
７  第２の高温ガス流路
８  第１熱交換部
９  第２の冷却水路
【００２９】
10  高温液体流路
11  第２熱交換部
12  第１チューブ
13  第１タンク
13ａ  ヘッダープレート
13ｂ  ヘッダープレート
14  第２タンク
14ａ  ヘッダープレート
14ｂ  ヘッダープレート
15  第１コア
16  第１ケーシング部
17  第２ケーシング部
18  出入口
19  出入口
【００３０】
20  第２チューブ
21  第３タンク
21ａ  ヘッダープレート
22  第２コア
23  第３ケーシング部
24  出入口
25  燃料電池
26  水循環路
27  第１熱交換器
28  第２熱交換器
29  第３熱交換器
【００３１】
30  熱媒水
31  入口パイプ
32  ガス加温器
32ａ  出口パイプ
33  酸素側ガス通路
34  水素側ガス通路
36  水蒸気透過膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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